diff --git a/contents/sections/polarmodulation.md b/contents/sections/polarmodulation.md index 2396867..c37dc8b 100644 --- a/contents/sections/polarmodulation.md +++ b/contents/sections/polarmodulation.md @@ -1,19 +1,35 @@ -Ein bereits seit Jahrzehnten bekanntes Verfahren findet seit einiger Zeit verstärkt Anwendung im Amateurfunk: die *Polarmodulation*. Abbildung [ref:polar_modulator] zeigt das Blochschaltbild des Verfahrens. Dabei werden die beiden Signalkomponenten $I(t)$ und $Q(t)$, wie im vorherigen Kapitel beschrieben, in die momentane Amplitude $A(t)$ und die Phase $\varphi(t)$ umgerechnet: +Ein bereits seit Jahrzehnten bekanntes Verfahren findet seit einiger Zeit verstärkt Anwendung im Amateurfunk: die *Polarmodulation*. + +Zu diesem Thema gibt es keine Prüfungsfrage. Aber die Polarmodulation ist ein spannendes Verfahren, das in Zukunft immer stärker in Amateurfunkgeräten eingesetzt werden wird. Daher sei sie hier kurz vorgestellt, als Blick über den Tellerrand. Wer zielgerichtet nur den Prüfungsstoff lernen will, kann das Thema getrost überschlagen. + +Die Polarmodulation basiert auf der Beobachtung, was passiert, wenn ich in ein beliebiges Signal einigermaßen schmaler Bandbreite zeitlich hinein zoome: Der einzelne Wellenzug sieht so aus wie eine Sinuswelle. + +Diese Sinuswelle ist definiert durch wenige Zahlen, nämlich Frequenz, Phase und Amplitude. Wobei Frequenz und Phase miteinander verkoppelt sind: Wer mit einer bestimmten Grundfrequenz anfängt, aber dann bei jedem Wellenzug immer wieder dieselbe Phasenänderung vornimmt, landet bei einer anderen, versetzten Frequenz. + +Aus diesen Überlegungen ergibt sich das Verfahren der *Polarmodulation*. Damit können beliebige Signale einigermaßen schmaler Bandbreite erzeugt werden, zum Beispiel SSB-Signale. Dazu müssen nur, ausgehend von einer Grundfrequenz, Phase und Amplitude des Signals gleichzeitig kontrollierbar sein. + +Abbildung [ref:polar_modulator] zeigt das Blockschaltbild, mit dem diese Idee heutzutage normalerweise umgesetzt wird. Dabei werden die beiden Signalkomponenten $I(t)$ und $Q(t)$ (wie sie im vorherigen Kapitel beschrieben wurden) in die momentane Amplitude $A(t)$ und die momentane Phase $\varphi(t)$ umgerechnet: $A(t)=\sqrt{I^2(t)+Q^2(t)}$ $\varphi(t)=\operatorname{atan2}\left(Q(t),I(t)\right)$ -Die Phaseninformation $\varphi(t)$ moduliert anschließend einen HF-Träger mit konstanter Amplitude. Das entstehende Signal enthält damit bereits die vollständige Phaseninformation, besitzt jedoch weiterhin eine konstante Hüllkurve. Deshalb muss es nicht mit einer linearen Endstufe verstärkt werden. Stattdessen kann eine besonders effiziente Schaltendstufe, beispielsweise ein Klasse-E-Verstärker, eingesetzt werden. Solche Endstufen erreichen in der Praxis häufig Wirkungsgrade von mehr als $\qtyrange{80}{90}{\percent}$. +Die Phaseninformation $\varphi(t)$ moduliert anschließend einen HF-Träger mit zunächst konstanter Amplitude. Das entstehende Signal immer noch konstanter Amplitude enthält damit bereits die vollständige Phaseninformation. Es kann von einer besonders effizienten Schaltendstufe verstärkt werden, beispielsweise einem Klasse-E-Verstärker. Solche Endstufen erreichen in der Praxis häufig Wirkungsgrade von mehr als $\qtyrange{80}{90}{\percent}$. -Die Amplitudeninformation $A(t)$ wird über einen schnellen Hüllkurvenverstärker auf die Versorgungsspannung der Endstufe aufgeprägt. Dadurch verändert sich die Ausgangsamplitude entsprechend der gewünschten Hüllkurve. Am Ausgang entsteht wieder das vollständige amplituden- und phasenmodulierte Signal: +Aber wie kommt die Amplitudenmodulation ins Bild? Dazu wird einfach die Versorgungsspannung der Endstufe entsprechend manipuliert. Ihr wird die Amplitudeninformation $A(t)$ über einen Hüllkurvenverstärker aufgeprägt. Dadurch verändert sich die Ausgangsamplitude entsprechend der gerade nötigen Amplitude, es ergibt sich die gewünschten Hüllkurve. Am Ausgang entsteht wieder das vollständige amplituden- und phasenmodulierte Signal: $s(t)=A(t)\cos\left(\omega_\mathrm{T}t+\varphi(t)\right)$ -Damit das Signal möglichst unverzerrt bleibt, müssen der Amplituden- und der Phasenpfad zeitlich sehr genau aufeinander abgestimmt sein. +Damit das Signal möglichst unverzerrt bleibt, müssen der Amplituden- und der Phasenpfad zeitlich genau aufeinander abgestimmt sein. -Durch den hohen Wirkungsgrad der Endstufe wird weniger elektrische Leistung in Wärme umgesetzt. Das spart Strom, verringert den Kühlbedarf und ermöglicht kleinere und leichtere Funkgeräte ohne große Metallkühlkörper. Polarmodulation eignet sich daher besonders für batteriebetriebene QRP-Funkgeräte, wird inzwischen aber auch in leistungsfähigeren kommerziellen Transceivern eingesetzt. Zu diesem Thema gibt es keine direkte Prüfungsfrage aber ist ein spannendes Verfahren was in Zukunft immer stärker in Amateurfunkgeräten eingesetzt werden wird. +Für den Hüllkurvenverstärker genügt ein relativ langsamer NF-Verstärker. Welchen Frequenzbereich er abdecken muss, hängt von der Bandbreite des zu erzeugenden Signals ab. Um den Wirkungsgrad hoch zu halten, wird hier gewöhnlich Schaltnetzteil-Technologie eingesetzt ("Klasse D"-NF-Verstärker). + +Durch den hohen Wirkungsgrad wird wenig elektrische Leistung in Wärme umgesetzt. Das spart Energie, verringert den Kühlbedarf und ermöglicht kleinere und leichtere Funkgeräte ohne große Metallkühlkörper und mit billigeren Endstufentransistoren. Polarmodulation eignet sich besonders für batteriebetriebene QRP-Funkgeräte, wird aber auch in leistungsfähigeren kommerziellen Transceivern eingesetzt. + + +Im Amateurfunk wurde das Verfahren in den 1970er Jahren unter dem Namen "HELAPS" beim Satelliten AO-7 erstmals eingesetzt. Damals wurde alles mit analogen Mitteln bewerkstelligt. Heutzutage sind Hüllkurvenverstärker und Endstufe noch klassisch analog, den Rest der Arbeit übernehmen SDR-Algorithmen. Potente CPUs, die die anfallenden Aufgaben problemlos abarbeiten, sind heutzutage billiger als eine Pizza. + [picture:1117:polar_modulator:Polar Modulator] - \ No newline at end of file +